熱泵在衣物護理機中的研究與應(yīng)用

(合肥品冠科技有限公司，安徽 合肥 231131)

1 概述

衣物護理機由烘干機等多設(shè)備逐漸演變而來的新產(chǎn)品物種，具有蒸汽殺菌、烘干除塵、除皺、褲線管理等多種功能。主要是對護理機內(nèi)部的溫度、蒸汽進行管理，以達到衣物護理的目的。

紡織纖維材料隨著溫度的變化，其各項性質(zhì)均會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如比熱容將逐漸增大，從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)間，比熱容增加最快，且在完成轉(zhuǎn)換后，比熱容增加逐漸變慢。玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度在一定區(qū)間內(nèi)完成，不同材料的轉(zhuǎn)變區(qū)間寬度不同，而影響玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的因素主要有兩種，一種是內(nèi)因結(jié)構(gòu)性因素，一種是外界因素，如溫升速度、外力大小等。

2 陶瓷片加熱技術(shù)分析

目前通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽噴射到護理間室內(nèi)進行蒸汽殺菌，陶瓷片加熱器對外界空氣進行加熱通過風(fēng)機將熱空氣輸送到間室內(nèi)，對衣服進行烘干、除塵，隨著熱空氣的輸入，護理室內(nèi)的蒸汽被送到環(huán)境空氣中。一個護理過程中間室內(nèi)溫度見表1。

表1 一個護理過程中間室內(nèi)溫度

圖1 陶瓷片加熱器護理過程室內(nèi)曲線

陶瓷片加熱方式對衣物一次護理需要消耗非常高的電能，同時在烘干過程中為防止持續(xù)加熱帶來的過高溫度，采用短時間斷電停止加熱，致使溫度降低，重新加熱時再次升溫，不僅耗電而且不能保證衣服護理時所需的持續(xù)穩(wěn)定溫度。陶瓷片加熱器護理過程室內(nèi)曲線如圖1所示。采用陶瓷片加熱實現(xiàn)護理功能的技術(shù)顯得非常原始化，不僅不能有效地降低能耗，對蒸汽進行回收，而且護理室內(nèi)部的空氣排出會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生二次危害。

3 熱泵技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 衣物護理機中熱泵系統(tǒng)研究

熱泵系統(tǒng)采用壓縮機變頻控制及電子膨脹閥精準(zhǔn)流量控制，使整個熱泵系統(tǒng)始終保持在最佳運行條件下，烘干過程剛開始時需要大量的熱量，此時壓縮機轉(zhuǎn)速迅速提升，以確保間室溫度能夠迅速提升起來，間室溫度達到要求后，壓縮機轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)使熱量與間室的熱量損失達到動態(tài)平衡，并最終維持恒定轉(zhuǎn)速，使間室內(nèi)溫度穩(wěn)定在衣服護理的目標(biāo)溫度。電子膨脹閥的流量隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的提升(見圖2)，開度逐漸增大，能夠使整個熱泵系統(tǒng)與衣物護理機達到合理匹配的效果。

熱泵使護理室很快達到目標(biāo)溫度并能維持不變直至護理結(jié)束。

圖2 電子膨脹閥流量曲線

3.2 烘干護理性能分析

衣服的烘干護理不僅與溫度有關(guān)，而且與溫度持續(xù)穩(wěn)定的時間有關(guān)。那么衣物護理機就需要對保溫及溫度的穩(wěn)定持續(xù)性有一定的要求，衣物護理機的熱負(fù)荷計算依然遵循傳熱學(xué)平板導(dǎo)熱的理論計算。

平板導(dǎo)熱量主要取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度以及兩側(cè)的溫差大小。雙層平壁導(dǎo)熱的計算如下：

式中:

Q——熱負(fù)荷，W

λ1、λ2——熱導(dǎo)率，單位為W /(m·K)

δ1、δ2——絕熱層厚度，單位為m

A——導(dǎo)熱面積，單位為m2

tw1——外壁面溫度，單位為℃

tw3—— 內(nèi)壁面溫度，單位為℃

衣物護理機箱體的導(dǎo)熱可以看作雙層平壁導(dǎo)熱，即空氣層與保溫層。保溫層與空氣層能夠保證在有效的烘干護理中，溫度持續(xù)穩(wěn)定即可，并不需要非常嚴(yán)格的保溫條件。

采用變頻熱泵提供護理時烘干的熱量來源，能夠平穩(wěn)的持續(xù)提供熱量，避免了使用陶瓷加熱片開停機導(dǎo)致的溫降與溫升，使衣物能夠始終如一的在一種溫度區(qū)間內(nèi)進行烘干護理。如表2對熱泵式護理機內(nèi)部烘干溫度進行的實驗測試。

烘干期間溫度能夠持續(xù)平穩(wěn)穩(wěn)定，對衣物達到良好的烘干護理效果(見圖3)。

表2 熱泵式護理機內(nèi)部烘干溫度

圖3 熱泵式護理機內(nèi)部烘干溫度曲線

3.3 冷凝功能分析及驗證

熱泵式護理機充分利用了熱量的轉(zhuǎn)換過程，蒸發(fā)器是熱泵系統(tǒng)中主要的吸熱單元，冷凝器放出的熱量通過加熱間室空氣，加熱后的空氣及護理室內(nèi)的蒸汽經(jīng)過蒸發(fā)器冷凝，既完成了熱量的交換，又將護理間室內(nèi)的蒸汽冷凝回收。標(biāo)準(zhǔn)除菌程序護理過程中，熱泵系統(tǒng)冷凝器前后、蒸發(fā)器前后空氣的溫度數(shù)據(jù)，蒸發(fā)器能夠達到很好的冷凝效果。

蒸發(fā)器前后溫差大概20 ℃左右，55 ℃的濕熱空氣通過低溫蒸發(fā)器，濕熱空氣迅速被凝結(jié)為冷凝水及低溫空氣，通過蒸發(fā)器后的空氣為含水量很低的干冷空氣，干冷空氣經(jīng)過冷凝器再次加熱進入護理間室進而完成一個循環(huán)。熱泵系統(tǒng)能夠很好的做到蒸汽的冷凝回收，這是陶瓷片加熱器所不能具有的優(yōu)點。

4 陶瓷片加熱與熱泵耗電量對比

一個完整的衣物護理過程主要包括蒸汽準(zhǔn)備、蒸汽噴射、烘干3個主要步驟，而陶瓷片加熱器式與熱泵式護理機耗電量差異主要在烘干過程，一般標(biāo)準(zhǔn)護理程序烘干過程用時20～30 min/s，整個烘干過程主要是對空氣進行加熱，同時使蒸汽冷凝，以達到衣物護理烘干的主要功能。熱泵式護理機通過冷凝器散熱對空氣進行加熱，同時護理機內(nèi)的濕熱空氣經(jīng)過蒸發(fā)器被冷凝，最后再次被冷凝器加熱完成一個循環(huán)。熱泵本質(zhì)上是一個熱量轉(zhuǎn)移的過程，相比直接用電加熱更加節(jié)能省電。在相同的烘干時間下，不同的烘干方式所消耗的電能對比，電能節(jié)省將近70%。

5 結(jié)語

根據(jù)衣物護理機熱量需求的不同，壓縮機轉(zhuǎn)速動態(tài)調(diào)整，電子膨脹閥流量動態(tài)匹配，整個熱泵系統(tǒng)能夠隨著衣物護理機的使用而進行動態(tài)匹配；烘干護理的實現(xiàn)過程，熱泵能使衣物護理機間室擁有持續(xù)穩(wěn)定的溫度，而不是陶瓷片加熱器工作過程導(dǎo)致溫度的不斷升降；熱泵系統(tǒng)中蒸發(fā)器能夠?qū)嵴羝鸬胶芎玫睦淠Ч?，做到冷凝水的回收，不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染。熱泵另外一個巨大的優(yōu)勢就是節(jié)能，比陶瓷片加熱器節(jié)能至少50%以上，節(jié)能效果是非常明顯的。